【手続補正書】
【提出日】平成17年12月28日(2005.12.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  リニアモータ用コイル体及びリニアモータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】  表面に絶縁被膜を有する導線を巻いて形成されたコイルと、コイル表面に被膜されたシリコーン樹脂からなる封止部材と、を有することを特徴とするリニアモータ用コイル体。
【請求項２】  表面に絶縁被膜を有する導線を巻いて形成されたコイルと、コイル表面に被膜されたＰＰＳ樹脂からなる封止部材と、を有することを特徴とするリニアモータ用コイル体。
【請求項３】  前記封止部材の厚さは、０．１〜０．５ｍｍの範囲にある請求項１又は２に記載のリニアモータ用コイル体。
【請求項４】  前記封止部材の厚さは、コイルの厚さ方向より、コイル外径方向の方が大きい請求項４に記載のリニアモータ用コイル体。
【請求項５】  前記コイルは内周部にボビンを備え、前記封止部材は、ボビンとコイルの当接部を覆ってボビンに食い込んで被膜されている請求項１乃至４のいずれかに記載のリニアモータ用コイル体。
【請求項６】  永久磁石と、電機子コイルとを相対的に移動させるように構成したリニアモータにおいて、前記電機子コイルは、内部を冷却水が流れる長方形状の冷却ジャケットと、絶縁被膜を有する導線をボビンの外周に巻いて形成されかつ前記冷却ジャケットの内部に長手方向に沿って配列された複数の平型のコイルとを備え、このコイルの少なくとも冷却水と直接接触する部分がシリコーン樹脂またはＰＰＳ樹脂からなる封止部材で被覆されていることを特徴とするリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータの電機子に用いるコイル体及びそれを用いたリニアモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、永久磁石と電機子コイルを相対的に移動させ、直線的な移動と位置決めを行うリニアモータは、半導体製造装置などに多数使用されてきた。しかし、従来のリニアモータは、ほとんどがストロークが１０００ｍｍ以下で推力も５００Ｎ程度であったが、最近ではそれ以上の長ストローク、大推力のものが求められるようになっている。このため、コイルに流す電流が大きくなり、発生する熱量も大きくなっている。コイルが発熱すると、コイル自体の電気抵抗値が上昇し、ジュール熱損失が増大することから実効電力が減少するだけでなく、永久磁石にコイルからの熱が伝達されて温度が上昇し、熱減磁により発生磁束が減少することで発生推力が減少するという問題があり、コイルを冷却することは重要である。
【０００３】
リニアモータのコイルを冷却する技術については、従来から自然空冷、強制空冷、冷却液使用など多数の手法が提案されているが、熱容量の大きな水が使えれば最も効果的であることがわかっている。しかし、水は導電性があり、導線が水と接触するとショートを起こしてしまうため、その使い方が難しい。このような水を冷却液として用いることが記載されている特許文献としては、例えば下記に示すようなものが挙げられる。
【０００４】
特許文献１には、表面が絶縁被膜された導線を所定の回数巻いて形成されたコイルの周囲を樹脂で被覆して形成した内側ハウジングと、該内側ハウジングの外側を囲んで密閉して収納する外側ハウジングとの二重構造で構成され、コイルに電流を流すことにより発熱した内側ハウジングを冷却する冷媒を内側と外側のハウジングの隙間に充填した磁界発生装置において、冷媒として水やフッ素系流体を用い、被覆部材としてはエポキシ樹脂、フェノール樹脂などの非磁性体材料を用いることが記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、リニアモータにおけるコイルを、コア部材に、絶縁層を有する箔状導体を積層して形成し、このコイルの外面部を例えばポリウレタン樹脂又はエポキシ樹脂からなる電気的絶縁フィルムで覆い、コイル自身をジャケットで覆い、ジャケット内に不活性冷媒や純水もしくは強制エアーを流してコイルを冷却する構成が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２３７１１７号公報
【特許文献２】
特開２００２−１７６７６１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
コイルを液体で冷却するために熱容量の大きい水を使う場合、できるだけ直接的にコイルと接触させるほど、コイルの熱が良好に水に伝わり効果的である。このような構造にするためには、水が絶対に導体に接触しないよう、高い防水性能を持った封止部材でコイルを被覆し、水とコイルを隔てることが必要になる。したがって、封止部材は、水を透さない材料で形成するだけでなく、水が物理的に接触しないようにコイルを密閉的に覆うようにするとともに、内部に微小穴やピンホール等が存在せず、長時間経過後も水が侵入しないようにする必要がある。さらに、コイルの熱を水に効率的に伝達するためには、できるだけ薄く被覆しなければならない。
【０００８】
この点で、特許文献１においては、被覆部材は所定外形サイズのハウジングを形成することから、その部材は厚く、熱伝達という点で効率的とは言えない。また、被覆樹脂として使用されるエポキシ樹脂やフェノール樹脂は吸水率が、０．２〜０．６％程度と比較的大きく、ある程度の厚さに形成するにしても、長期的な信頼性には懸念がある。また、特許文献２に記載されているポリウレタン樹脂は、吸水率が約１％とさらに大きいことから、実際に水を冷媒として用いることができるのかが疑問である。
【０００９】
従って、本発明は、冷却水が流れるジャケットに配置されても、ショートなど電気的不具合を生じることなく、効果的に熱を逃がすことができるリニアモータ用コイル体及びそれを用いたリニアモータを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のリニアモータ用コイル体は、表面に絶縁被膜を有する導線（例えばエナメル線）を巻いて形成されたコイルと、コイル表面に被膜されたシリコーン樹脂又はＰＰＳ樹脂からなる封止部材と、を有することを特徴としている。前記封止部材がシリコーン樹脂である場合は、型にコイルをセットし、型とコイルの隙間（キャビティ）を真空で吸引しながらシリコーン樹脂を充填する注型成形法で形成することが好ましい。
【００１１】
本発明における封止部材の厚さは、０．１〜０．５ｍｍの範囲にあることが好ましい。封止部材は、薄いほど熱伝達抵抗が小さくコイルを冷却するのに効果的であるが、水の封止性や生産性も考慮して設定することが好ましい。すなわち約０．１ｍｍの厚さであれば水の封止性には問題はないが、封止部材を注型成形する場合には、コイルの外形寸法のバラツキを考慮すると、０．１ｍｍが限界である。それ未満の厚さにしようとすると被膜が不完全なものになる恐れがある。生産性を考慮すると型とコイルの隙間は大きい方がよいが、熱伝達抵抗の増大を抑えるにはノミナル値で０．３ｍｍから０．５ｍｍの隙間とするとよいことから０．５ｍｍを好ましい範囲の上限とする。また封止部材の厚さは、コイルの端面を覆う部分の厚さよりも、コイルの外周面を覆う部分の厚さを大きくすることができる。これは、本発明で使用される平型コイルにおいては、その巻線の方向から、厚さ方向の寸法バラツキは幅方向のそれより小さいため、型の隙間（キャビティ）を、厚さ方向は狭く、幅方向は広くするようにできるためである。さらに、本発明のコイル体は、内周部にボビンを備え、前記封止部材は、その内周側の端部がボビンに食い込んだ状態でコイルを被膜するようにしてもよい。
【００１２】
本発明のコイル体を使用した電機子コイルは永久磁石ととともにリニアモータを構成することができる。すなわち、リニアモータは、内部を水が流れる長方形状の冷却ジャケットと、絶縁被膜を有する導線をボビンの外周に巻いて形成されかつ冷却ジャケットの長手方向に沿って複数の平型コイルが配列され、コイルの少なくとも水と直接接触する部分がシリコーン樹脂またはＰＰＳ樹脂からなる封止部材で被覆された電機子コイルを備えた構造とされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面を参照しながら説明する。
一般にコイルには、巻線時の導体の占積率を大きくするため、薄い絶縁材で被覆された単線が用いられており、本発明のコイル体に使用されるコイルには例えばエナメル線を用いることができる。エナメル線は、ＪＩＳのＣ３２０２で規定されているように、導線の周囲にポリウレタン、ポリエステル、ポリイミド樹脂などの絶縁樹脂が被膜されたものである。この絶縁被膜は、導線の太さにもよるが、剥離しなくてもはんだ付けができる程度の厚さをもち、例えば直径０．３ｍｍの導線では１０μｍ前後の薄い被膜であり、内部のピンホールも許容されており、吸水率も約１％前後と大きいため、導線を水から封止する機能を有していない。そこで、本発明においては、冷却水が流れるジャケットの内部に収容されるコイルの表面に特定の樹脂材料からなる封止部材を設ける。
【００１４】
本発明のコイル体１は、リニアモータの電機子に用いられる部材であって、図１に示すように、図中矢印で示すように左側の短辺から冷却水が流入し、右側の短辺から流出する、長方形状の冷却ジャケット２の内部の所定位置に一直線状に（長辺方向に沿って）装着される。図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図２の一部を拡大した図である。図２に示すように、コイル体１は、エナメル線が所定数巻かれた平型のコイル３と、コイル３の内周部に設けられてジャケット２への取り付け具も兼ねているボビン４と、コイル３の表面の一部を被覆する封止部材５とを有している。ボビン４は、コイル体１を冷却ジャケット２の所定位置に取り付けるための位置決め用穴部６を有する部材で、上面と下面にはそれぞれ、平面からみて環状の溝７が形成され、溝７の外周側にある部分（コイル３の内周側にある部分）はフランジ８となる。フランジ８の厚さｗは、ボビン４の基部（位置決め用穴部６に隣接する部分）の厚さＷと同一とすることも可能であるが、図示の如く封止部材５の厚さ（ｔ１）程度分だけ小さくするとよい。ボビン４の材質としては、吸水率が小さく、電気的絶縁性があり、かつ剛性があるガラスエポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などを用いることができる。
【００１５】
コイル３は、略矩形状の外形をもちかつ内周部がボビン４のフランジ８の外周に嵌装されるような空心コイルで、その厚さはフランジ８の厚さｗとほぼ同一となるように、巻線治具に所定回数巻かれて形成される。巻線治具から引き抜かれたコイル３は、熱可塑性樹脂或いは熱硬化性樹脂を塗布されて乾燥固化され、その形状が保持される。なお、エナメル線として、自己融着性のワニスが絶縁皮膜上に焼き付けられた自己融着線を用いれば、上記樹脂塗装を行う必要はない。巻線形状が保持されたコイル３は、ボビン４のフランジ８に装着されて一体化され、コイル３に防水のための封止処理が施される。
【００１６】
封止部材５は、吸水率が小さく、かつ疎水性が大きいシリコーン樹脂で形成することができる。シリコーン樹脂は流動性がよいので、注型成形によって薄い被膜を成形することができる。注形成形においては、コイル３が組付けられたボビン４を型にセットし、真空ポンプでエアーを吸引してコイルの周囲を負圧にした状態で、シリコーン樹脂を注入することが好ましい。このようにすると、シリコーン樹脂への空気の巻き込みを防止できるので、厚さが０．１ｍｍ程度の薄い被膜でも、気泡やピンホールをほとんど発生することなく形成することができる。
【００１７】
被膜の厚さ（封止部材５の厚さ）は、熱伝達の点では薄い方が好ましいが、強度面からの信頼性やコイルの寸法精度を考慮して少し厚めに設定するとよい。整列巻のコイルであっても、寸法のバラツキが生じ、コイルの外径方向（幅方向）のバラツキは、厚さ方向のバラツキに比べて大きくなる傾向がある。このバラツキを吸収できるようにするために、型を成形機にセットする際に、コイルの厚さ方向は隙間が小さく外径方向は隙間が大きい成形空間が形成されるように調整する。例えば被膜の厚さが、コイルの厚さ方向の厚さｔ１が０．３ｍｍ、コイルの外周面側の厚さｔ２が０．５ｍｍとなるようにする。この被膜厚さは、成形空間の寸法値とコイル成形寸法値から算出されるノミナル値であるが、図３に示すように、封止部材５の表面と最上段（最下段）にあるコイル３の頂部までの寸法ｔの平均値で求めてもよい。
【００１８】
図２に示すように、封止部材５は、コイル３の外周面及び端面を覆うように形成するだけでなく、フランジ８の上面及び下面から溝７の内部まで入り込むように形成するとよい。これにより、フランジ８の外周面部とコイル３の内周面部との間にわずかな隙間が存在しても、この隙間から水が侵入することはない。封止部材５は、吸水率が約０．０２％と小さいＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂で形成することもできる。但し、ＰＰＳ樹脂はシリコーン樹脂に比べて流動性が低いので、封止部材５は射出成形で形成するとよい。
【００１９】
上記のコイル体１を収納した冷却ジャケット２を電機子としたリニアモータを使用する場合は、冷却ジャケット２の内部に冷却水を流すことにより、コイルを冷却することができる。この冷却水としては、熱容量が大きくて冷却能力が高く、しかも特別な廃水処理が不要でランニングコストが安い水が好ましく、特にコイル体１やジャケット２表面に不純物を付着させずに、冷却能力を長期にわたって維持することができる純水を用いることが好ましい。また、純水の代りにフッ素系冷却媒体、例えばフロリナート（住友スリーエム社製）などを用いることもできる。そして、コイル体１が位置決め用穴部６をもつボビン４を有することにより、封止部材５が応力を受けて剥離・損傷するような恐れが少なく防水の信頼性が向上するのみならず、コイル３は電機子の所定位置に精度良く固定されるので、リニアモータの位置決め精度を良好にすることができる。
【００２０】
以上の例では、コイル体として、巻線工程で作製されたコイルをボビンに嵌着した構成について説明したが、ボビンを巻線治具にセットし、直接ボビンに巻線してコイル体を形成してもよい。さらには、ボビンを用いず、巻線治具で形成したコイルの全面に封止部材を被膜した形態であってもよい。この場合は、ジャケットの所定位置に設けた凹凸部等に、コイル外周部又は内周部を入れ込んで装着するとよい。
【００２１】
【実施例】
導線径が０．５ｍｍ、１７μｍ厚さのポリエステル樹脂で絶縁被覆された自己融着性のエナメル線で、厚さ８ｍｍ、外周部の長辺１１０ｍｍ、短辺４７ｍｍ、内周部の長辺８２ｍｍ、短辺２２ｍｍのコイルを作製し、このコイルの全表面に樹脂材質又は被膜厚さの異なる封止部材５を形成した６種類のサンプルを５個づつ作成した。コイルの防水能力が本来のコイル機能を維持できるものであるか否かを確認するために、各サンプルを水道水中（水温を２３℃に保持）に浸漬し、４Ａの電流を連続通電し２４時間経過後の絶縁抵抗と絶縁耐圧及び外形寸法の変化を測定した。
【００２２】
表１に２４時間経過後の測定結果を示す。なお、５個のサンプルのうち、１個でも異常が生じたものについては、表１に変化ありと記載した。
【００２３】
【表１】
2004297845.tif 000001
【００２４】
表１から、本発明の実施例に係るサンプルＮo．１〜３は、絶縁抵抗が高くしかも絶縁耐圧及び寸法変化に異常は認められないことがわかる。これに対して、サンプルＮo．４〜６は、シリコーン樹脂又はＰＰＳ樹脂以外の樹脂を用いているので、被膜厚さを約０．６ｍｍと厚くしたが、いずれも絶縁抵抗と絶縁耐圧の変化及び寸法変化が認められることがわかる。さらに、サンプルＮo．４〜６では、通電開始後の初期の段階で、水が封止部材を透過しエナメル線にまで侵入することが確認された。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コイルがシリコーン樹脂又はＰＰＳ樹脂からなる封止部材で被覆されているので、コイルを収容した冷却ジャケットの内部に冷却水を流しても、所定のコイル機能を維持することができる。また、封止部材の厚さを薄くできるので、コイルを速やかに冷却することができる。さらに、コイルをボビンに設けることにより、防水能力の信頼性が向上するとともに、コイルを精度良く配列することが可能となり、リニアモータの位置決め精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明のコイル体を配列した冷却ジャケットの平面図（一部断面）である。
【図２】
図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】
図２の一部を拡大した断面図である。
【符号の説明】
１…コイル体、  ２…冷却ジャケット、  ３…コイル、  ４…ボビン、  
５…封止部材、  ６…位置決め用穴部、  ７…溝、  ８…フランジ